Zemax | 基于micro-LED的车载AR-HUD光路设计_ACT_HFSS_半导体_光学_汽车_电力_电子

Zemax | 基于micro-LED的车载AR-HUD光路设计

引言

在智能驾驶浪潮下，车载抬头显示器（HUD）已从“辅助工具”升级为“人机交互核心”，其中增强现实（AR）技术与HUD的融合（AR-HUD）更是凭借“虚实融合、信息叠加”的优势，成为提升驾驶安全性与交互体验的关键技术。然而，当前AR-HUD行业仍面临三大核心痛点：图像源（PGU）成本高、亮度不足、阳光倒灌致器件损坏。

上海大学微电子学院戴高宇团队在《光学学报》发表的研究论文《面向微显示芯片的车载抬头显示光路设计》^[1]，创新性地以0.6inch micro-LED微显示芯片为核心，设计出兼具“高放大倍率、小体积、抗阳光倒灌”的AR-HUD光路系统。

行业现状

车载HUD历经“集成型（C-HUD）→挡风玻璃型（W-HUD）→增强现实型（AR-HUD）”三代演进，其中AR-HUD通过延长虚像距离（通常≥7m）、扩大视场角，可将导航箭头、路况提示等信息叠加在真实道路上，大幅减少驾驶员低头频率。但现有AR-HUD的PGU技术路线均存在明显短板：

数字光投影（DLP）技术：被德州仪器垄断，成本高，且依赖投影灯泡与色轮，系统体积大^[2]；

薄膜晶体管液晶显示（TFT-LCD）技术：自发光亮度不足（难以满足日间室外需求），虚像清晰度易受环境光影响^[3]；

激光扫描投影：对温度敏感，稳定性差，不适合车载复杂工况^[4]。

micro-LED微显示芯片恰好弥补了上述短板—其具备自发光、高亮度（峰值亮度可达10万nit以上）、小体积（0.6inch仅约1.524cm）、高分辨率（1280×1024）的优势，成为AR-HUD的理想图像源。但micro-LED的“小尺寸”也带来新挑战：要实现驾驶员清晰观测的大虚像（需≥50inch），需通过光路系统将图像放大120倍以上，同时需解决“高倍放大下的像差校正”与“阳光倒灌烧屏”问题。

光路系统整体设计：
双级放大架构，实现125倍成像

为平衡“高放大倍率”与“小系统体积”，团队设计“预放大+主放大”双级架构，通过“放大镜组（5倍）+离轴三反自由曲面镜组（25倍）”的叠加，最终实现125倍信号放大，同时利用离轴结构消除成像遮拦，自由曲面镜校正像差。

2.1系统光路原理（图1）

micro-LED图像源发出的光线，先经放大镜组与折叠平面镜投射到扩散屏形成实像；扩散屏上的光线再经自由曲面镜M1、M2两次反射放大后，投射到汽车挡风玻璃，最终反射进入驾驶员眼盒，形成距离7.7m、尺寸86.85inch的虚拟图像。

这一架构的核心优势在于：

预放大阶段（放大镜组）将micro-LED的小尺寸图像先放大5倍，减轻主光路（自由曲面镜组）的放大负担，节省仪表台安装空间；
扩散屏不仅作为“中间像面”，还能匀化光线，提升成像均匀性；
离轴三反结构搭配自由曲面镜，可抵消挡风玻璃的固有像差，实现无遮拦大视场成像。

图1 系统光路原理图

利用ZEMAX实现
像质与体积的精准平衡

以ZEMAX光学设计软件为核心工具，通过“逆向建模-参数优化-正向验证”的流程，完成自由曲面镜组与放大镜组的设计，确保高倍放大下的成像质量。

1.自由曲面镜组：Zernike多项式校正像差，MTF性能优异

自由曲面镜是非旋转对称结构，比传统球面镜更灵活地校正像差，尤其适合micro-LED高倍放大场景。团队基于Zernike多项式设计自由曲面，通过多项式系数调整实现像差平衡，具体设计流程如下：

步骤1：逆向建模（解决虚像面无法直接作为物面的问题）

根据光路可逆原理，将“眼盒位置”设为物面，“micro-LED+放大镜组”设为像面，在ZEMAX中搭建反射结构，通过操作数REAX（光线X向坐标）、REAY（光线Y向坐标）、DIMX（最大畸变）、DIVI（除法运算）建立评价函数，评估成像质量。

步骤2：参数优化

调整光学元件距离、旋转角、偏心量，优化初始结构位置；
调整Zernike多项式项数（表3为M1、M2的Zernike系数），平衡球差、彗差等；
控制变量数量，避免初始结构变形。

步骤3：正向验证

将逆向结构翻转至正向（光线从micro-LED出发），验证像质指标：

MTF（调制传递函数）：MTF值越接近1，成像对比度传递能力越强。正向设计中，在0.37lp/mm（奈奎斯特频率，由虚像像素间距计算）处，各焦面中心视场MTF均＞0.5（图2），远超“＞0.1”的行业标准；

图2 MTF曲线

畸变：系统最大畸变仅2.08%（图3），远低于5%的预期阈值，避免图像拉伸变形；

图3 网格畸变

光斑图：各视场点列图的RMS半径最大为192.096μm，远小于艾里斑半径（879.4μm，图4），说明光斑集中，成像清晰。

图4 光斑图

2.放大镜组：四片式结构+折叠光路，兼顾放大与小型化

放大镜组的核心需求是“5倍放大+小共轭距离（50-80mm）”，团队以“四片式放映物镜”为初始结构（图5），在ZEMAX中优化如下：

像差控制：用操作数SPHA（球差）、COMA（彗差）、ASTI（像散）、DISG（畸变）约束像差，最终畸变仅5.17%；
体积优化：加入平面反射镜折叠光路，将镜头总长控制在90mm，与micro-LED组装后体积仅0.67L，适配仪表台狭窄空间；
杂光抑制：设置光阑，限制成像光束范围，提升图像对比度。

图5 透镜组结构

表1 各物镜参数

仿真结果如图6所示：放大镜组的点列图均位于艾里斑内（图6c），投影图像清晰（图6b），完全满足“将micro-LED图像预放大5倍至扩散屏”的需求。

图6 透镜组仿真结果。（a）原图；（b）投影图；（c）光斑图；（d）网格畸变

窄带通滤光膜的创新设计

阳光倒灌是车载HUD的“致命隐患”——太阳光经挡风玻璃进入HUD内部，沿光路反向聚焦到PGU上，会导致micro-LED温度骤升，轻则影响亮度，重则烧毁器件，其示意图如图7所示。团队针对micro-LED的“单色绿光”特性，设计窄带通滤光膜，实现“透过图像光、阻挡阳光杂光”的双重效果。

图7 阳光倒灌示意图

1.滤光膜设计原理：F-P谐振器+金属层，消除透射次峰

滤光膜以法布里-珀罗（F-P）谐振器为基础，采用“高折射率材料（TiO₂）+低折射率材料（SiO₂）”交替堆叠，同时加入Ag金属层（抑制非目标波段光）与Al₂O₃附着层（提升金属层黏附性），结构为（HL）^NL（HL）^{N，（L=SiO₂，H=TiO₂）。}

2.ZEMAX仿真优化：透过率提升至70%，无次峰

初始膜系：中心波长554nm，最高透过率＜40%，且存在2个透射次峰，无法满足需求；

优化后膜系：调整膜层厚度（总厚1.24μm），在ZEMAX中设置“550nm处目标透过率1、权重＞10，其余波长0”，优化后：

序列模式下：中心波长547.9nm，透过率70.35%，带宽0.2μm，无透射次峰；
非序列模式下：模拟真实太阳光（黑体辐射），中心波长551.2nm，透过率60.51%，带宽0.24μm，适配实际工况；
逆向透过率（阳光倒灌方向）：中心波长528nm，带宽0.16μm，仅允许与micro-LED同波段光通过，大幅减少倒灌光能量。

3.系统兼容性验证：透过率均匀，不影响成像

将滤光膜镀膜于扩散屏抛光面，测试各视场透过率（表2），结果显示：9个视场透过率均在55.94%-56.13%之间，均匀性优异，无“局部暗区”问题。结合micro-LED的高亮度，最终虚像亮度可达3977nit，满足日间驾驶观测需求。

表2 各视场的透过率

公差分析：
确保量产可行性，容差能力强

光学系统的“设计指标”需经得起“量产加工误差”的考验。团队在ZEMAX中采用蒙特卡罗分析法，对挡风玻璃、自由曲面镜M1/M2的“曲率半径、厚度、X/Y偏心、X/Y旋转”设置公差，进行2000次仿真：

正向系统（0.37lp/mm）：90%以上样本的衍射平均MTF＞0.75，98%以上＞0.73；
逆向系统（10.8lp/mm）：90%以上样本的衍射平均MTF＞0.3。

结果表明，系统对加工误差的容忍度高，完全满足量产需求。

技术价值与行业意义

本研究的三大核心突破，为车载AR-HUD的产业化提供了关键支撑：

micro-LED应用破局：首次将0.6inch micro-LED作为PGU，解决了“小尺寸与大虚像”的矛盾，同时规避DLP成本高、TFT-LCD亮度不足的问题；

双级放大架构创新：放大镜组+自由曲面镜组的组合，实现125倍放大，虚像尺寸86.85inch，且系统体积仅0.67L，适配各类车型；

阳光倒灌解决方案：1.24μm窄带通滤光膜，透过率60%-70%，无次峰，有效保护micro-LED，提升系统可靠性。

未来，该方案可进一步拓展至“全彩micro-LED”“多景深成像”等方向，推动AR-HUD从“高端车型标配”走向“中低端车型普及”，为智能驾驶构建更安全、更直观的视觉交互生态。

参考文献：

[1] 陈怡妃、陈灏翰、戴高宇、路秀真、殷录桥、张建华。面向微显示芯片的车载翻转显示光路设计[J]. 光学学报, 2024, 44(23): 2322002.

[2] 黄兴洲, 胡诗杰, 汤国茂, 杨平, 许冰, 张改娜. 远距离成像汽车平视显示光路结构设计[J]. 应用光学, 2019, 40(5): 894-900.

[3] 陈晓伟, 曹妍, 薛嘉隆, 任进伟, 王波, 吴慎将. 双自由曲面平视显示系统光学模组优化设计[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(9): 0922001.

[4] Bin Xu, Chenhao Xu, Yao Ji, Bo Zhang, and Jinhua Li, "Lissajous MEMS laser beam scanner with uniform and high fill-factor projection for augmented reality display," Opt. Express 31, 35164-35177 (2023)

来源：摩尔芯创

活动回顾 | 第六届立强大会落下帷幕，摩尔芯创深耕光芯片设计领域，推动光电子集成发展

第六届光电子集成芯片立强大会2025年8月29日至9月3日，第六届光电子集成芯片立强大会在武汉盛大举行。本届大会围绕光电子集成芯片材料、器件、工艺平台、仿真设计等多个领域的应用展开了广泛而深入的交流探讨。摩尔芯创参与了此次大会，在展会和培训活动中均展现了自身的技术实力与产品价值。摩尔芯创设置了展位，全方位展示了公司在光电子集成芯片领域的产品和解决方案。展位上，摩尔芯创的工作人员热情地向来宾介绍公司的核心产品，针对不同客户的需求，详细讲解如何运用公司展示的解决方案优化光电子集成芯片的设计、制造和测试流程。精彩瞬间展位吸引了众多参会者的关注，不少科研人员、企业代表驻足交流，对摩尔芯创的产品和解决方案表现出浓厚的兴趣，并就实际应用中的问题与工作人员进行了深入探讨，现场气氛热烈。产品展示：在大会上，摩尔芯创展示了：(1) 专业光子学仿真工具：Ansys Lumerical(2) 专业光学设计软件包：Ansys Zemax(3) 专业用于光学设计、环境与视觉模拟系统、成像应用的光学仿真软件：Ansys Speos(4) Ansys EBU(HFSS/SIwave/Q3D/Maxwell /Icepak/Sherlock等) 电子设计解决方案(5) Ansys MBU（Mechanical/LS-DYNA等）结构仿真解决方案(6) Ansys FBU（Fluent/CFX等）流体仿真解决方案(7)、 Ansys Apache（PowerArtist/Path-FX/ RedHawk-SC/Totem/PathFinder/Helic等）芯片功耗噪声可靠性分析（半导体）；(8)、工程仿真与定制服务：基于客户的数据和工程仿真需求提供相关仿真、培训、定制化开发、项目Debug服务。第六届光电子集成芯片立强培训大会同期举办了流片与软件培训活动，摩尔芯创的技术团队受邀在光芯片设计基础班与光模块设计实践班担任讲师，进行案例教学与技术分享。（一）光芯片设计基础班摩尔芯创在基础班培训中讲解的课程包括：FDTD 介绍Y Branch 器件的仿真设计与实操MODE（三种求解器介绍）Spot size converter 器件的仿真设计Photonic Inverse Design 光子性能逆向设计Y Branch 逆向仿真设计与实操CHARGE (electronic) 介绍（功能介绍及案例）HEAT (thermal) 介绍（功能及案例）INTERCONNECT 介绍（功能及案例）（二）光模块设计实践班摩尔芯创在实践班培训中讲解的课程包括：无源、有源器件仿真软件介绍光子集成链路仿真设计400G 光模块无源和有源器件仿真设计模型简介摩尔芯创讲师开展系统理论教学：光芯片设计基础层面，讲解其基本概念、设计实现及应用实例，结合案例阐述各环节关键技术与设计要点；光模块设计课程中，包含仿真软件介绍、仿真设计及应用，通过案例分析指导学员掌握实际项目中硅光芯片的设计与优化。实操环节，讲师引导基础班学员用软件工具做光芯片基础设计，解答问题、助其熟悉软件流程与技巧，深化对软件功能、设计规则等知识的理解；在光模块设计方面，指导学员用专业软件做硅光芯片设计与仿真，实时反馈并解决难题。光芯片设计基础班光模块设计实践班在此次培训中，通过理论与实践相结合的教学方式，提升了学员们的相关专业技能水平和实践能力，为行业的可持续发展提供了有力的人才支持。第六届光电子集成芯片立强大会为摩尔芯创提供了一个展示自我、交流合作、助力人才培养的优质平台。摩尔芯创在活动中的精彩表现，不仅彰显了公司在光电子集成芯片领域的专业实力，也为行业的发展做出了积极贡献。未来，摩尔芯创将继续深耕芯片领域，不断创新发展，为推动光电子集成芯片技术的进步和产业的繁荣发挥更大的作用。- END -来源：摩尔芯创